95Cr18马氏体不锈钢高温变形行为_李松松.pdf

第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:李松松,李 伟,肖 强,等.95Cr18 马氏体不锈钢高温变形行为 J.塑性工程学报,2023,30(2):105-114.LI Songsong,LI Wei,XIAO Qiang,et al.High temperature deformation behavior of 95Cr18 martensite stainless steel J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(2):105-114.基金项目:河北省自然科学基金资助项目(E2021203237);中央引导地方科技发展资金资助项目(216Z1002G)通信作者:于 辉,男,1974 年生,博士,教授,主要从事金属塑性加工工艺与质量控制、塑性变形及多尺度模拟研究,E-mail:第一作者:李松松,男,1995 年生,博士研究生,主要从事轧制理论及金属塑性变形研究,E-mail:lss9524 收稿日期:2022-04-23;修订日期:2022-12-1695Cr18 马氏体不锈钢高温变形行为李松松,李 伟,肖 强,于 辉(燕山大学 机械工程学院,河北 秦皇岛 066004)摘 要:为研究 95Cr18 马氏体不锈钢的高温变形行为,在变形温度 9001150、应变速率 0.120 s-1条件下进行了热压缩实验。研究了变形条件与流动应力之间的关系,根据 Arrhenius 方程与 Z 参数在应变 0.10.6 内构建了应变补偿的本构方程,基于动态材料模型与 Prasad 失稳判据绘制了应变为 0.2、0.4 和 0.6 时的热加工图,并对变形组织进行了观察。结果表明,95Cr18 不锈钢应力随应变的变化呈现出典型的动态再结晶型特征,流动应力随温度的降低及应变速率的增大而增加。在应变速率为 5 s-1 时,本构模型预测应力与实验数据吻合良好,R 与 eAARE分别为 0.9935 和 2.977%,证明了本构方程准确性较高。热加工图失稳区分布在低温高应变速率区域,95Cr18 不锈钢热变形可加工工艺区间为变形温度 9751150、应变速率 0.12.7 s-1。关键词:95Cr18 马氏体不锈钢;高温变形;本构方程;热加工图;显微组织中图分类号:TG142.71 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0105-10doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.013High temperature deformation behavior of 95Cr18 martensite stainless steelLI Song-song,LI Wei,XIAO Qiang,YU Hui(College of Mechanical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China)Abstract:To study the high temperature deformation behavior of 95Cr18 martensitic stainless steel,the hot compression experiments were carried out under the conditions of deformation temperature of 900-1150 and strain rate of 0.1-20 s-1.The relationship between de-formation conditions and flow stress was studied,the strain-compensated constitutive equation was constructed according to the Arrhenius equation and Z parameter with strain of 0.1-0.6,and based on dynamic material model and the Prasad instability criterion,the hot pro-cessing maps with strain of 0.2,0.4 and 0.6 were drawn,and the deformed microstructure was observed.The results show that the varia-tion of stress with strain of 95Cr18 stainless steel exhibits typical dynamic recrystallization characteristics,and the flow stress increases with the decrease of temperature and the increase of strain rate.The predicted stress of constitutive model is in good agreement with the experimental data when the strain rate is 5 s-1.R and eAARE are 0.9935 and 2.977%,respectively,which demonstrates that the accuracy of constitutive equations is high.The instability region of hot processing map is distributed in the region with low temperature and high strain rate.The processable process range of hot deformation of 95Cr18 stainless steel is the deformation temperature of 975-1150 and the strain rate of 0.1-2.7 s-1.Key words:95Cr18 martensite stainless steel;high temperature deformation;constitutive equation;hot processing map;microstructure 引言95Cr18 作为高碳高铬马氏体不锈钢,因具有高强度、高耐磨性及优良的耐腐蚀性而被广泛应用于船舶航空、石油化工及核能核电等特种装备领域1-3。近年来,随着科技与工业的快速发展,对在高温高摩擦极端工况条件下服役的 95Cr18 不锈钢性能提出了更高的要求。因此,目前对 95Cr18 不锈钢的研究报道多集中于对其加工成品性能的提高4-6。但是,研究表明95Cr18 不锈钢中大量 Cr 元素的添加在提高强度和耐磨性的同时会降低其塑性与韧性,恶化冷热加工性能7-9。同时,变形温度和应变速率对 95Cr18 热成形过程影响较大,加工温度范围狭窄,轧制塑性成形差,在热加工过程中极易出现变形缺陷,力学性能控制难度较高10。因此,研究 95Cr18 不锈钢的高温变形行为,确定合理的热变形可加工区间,选择最优的变形温度、应变速率等工艺参数,对材料性能的提高具有重要的工程意义。本文采用热模拟压缩实验,系统性分析了热轧马氏体不锈钢 95Cr18 在变形温度 9001150、应变速率 0.120 s-1范围内的高温变形行为,并构建了应变补偿后的本构方程,根据动态材料模型与Prasad 失稳判据创建了应变 0.2、0.4 和 0.6 下的热加工图,结合变形后的材料显微组织,确定了热变形的可加工工艺区间,为 95Cr18 不锈钢实际热轧生产工艺探究提供理论基础支撑。1 实验材料及方法实验材料采用 95Cr18 马氏体不锈钢棒材坯料,其主要化学成分如表 1 所示。利用电火花线切割技术将其加工成尺寸为 10 mm15 mm 的圆柱试样,并在 Gleeble-3800 动态模拟压缩试验机上进行等温恒应变速率热压缩实验。如图 1 所示,实验的变形温度为 900、950、1000、1050、1100 和 1150;应变速率为0.1、1、5、10 和20 s-1;最大变形量为60%。实验时以 10 s-1的速率加热至 1250 并保温 5 min,使试样组织均匀,后以 5 s-1的冷却速率调整至变形温度,保温 2 min 消除试样内部的温度梯度后,按照设定的应变速率进行变形,达到设定应变量后立即水冷至室温。将变形后的试样沿轴线剖开,经过打磨抛光,用苦味酸与盐酸溶液进行腐蚀后观察显微组织。表 1 95Cr18 不锈钢化学成分(%,质量分数)Tab.1 Chemical composition of 95Cr18 stainless steel(%,mass fraction)元素CSiMnPSCrNiFe含量0.90.80.80.040.03180.6余量2 结果与分析2.1 高温变形真应力-真应变曲线分析95Cr18 马氏体不锈钢在不同变形温度和应变速图 1 热压缩实验工艺Fig.1 Hot compression experiment process率下的真应力-真应变曲线如图 2a图 2e 所示。从曲线中可以看出,在材料的初始变形阶段,因变形量增加使位错大量增殖,塑性变形加工硬化迫使内部应力迅速增大。随着应变的增加,加工硬化逐步被流动软化抵消,应力呈现出平滑或稳定的流动应力状态。从图中可以看到,在低温条件下,应力曲线升高至峰值后缓慢降低;而随着温度的升高,硬化与软化交替竞争,出现周期性类似波浪形的流变应力曲线。因此,在此变形条件下 95Cr18 不锈钢软化机制以动态再结晶为主11-12。对比不同应变速率下的真应力-应变曲线可知,材料存在一定的应变率效应,在不同变形温度下,流动应力都随应变速率的增大而增大。从图 2f 可以看到,应变速率由 0.1 s-1增加至 20 s-1时,在900 时,峰 值 应 力 由 334.6 MPa 增 加 至407.5 MPa,增加了 22%;在 1150 时,峰值应力由 88.1 MPa 增加至 205.3 MPa,增加了 133%。在相同温度下,随着应变速率的增大,变形时间相应减少,试样内部的畸变程度随之增强,促使变形阻力增加。同时,变形时间减少导致材料在高温下停留的时间缩短,变形抗力增加。在热变形过程中,材料存在热敏感性,温度升高使金属内部的热激活作用增强,金属塑性流动性提高使材料的变形抗力降低13。由图 2f 可知,温度由 1150 下降至 900 时,在 0.1 s-1时,峰值应力由 88.1 MPa 增加至 334.6 MPa,增加了 280%;在 20 s-1时 峰 值 应 力 由 205.3 MPa 增 加 至407.5 MPa,增加了 98%。由此可见,变形温度相比应变速率对峰值应力的影响更大。2.2 高温流变本构模型的构建由图 2 可知,95Cr18 马氏体不锈钢在不同变形温度与应变速率下,峰值应力变化存在一定的规律601塑性工程学报第 30 卷图 2 95Cr18 不锈钢在不同变形条件下的真应力-真应变曲线与峰值应力变化(a)=0.1 s-1(b)=1 s-1(c)=5 s-1(d)=10 s-1(e)=20 s-1(f)峰值应力变化Fig.2 True stress-true strain curves and peak stress change of 95Cr18 stainless steel under different deformation condit